冻融和碳化共同作用下混凝土损伤分析

肖前慧，牛荻涛

（1.西安科技大学 建筑与土木工程学院，陕西 西安 710054；2.西安建筑科技大学 土木工程学院，陕西 西安 710055）

目前，环境问题日益严重，混凝土结构所处的环境条件也越来越复杂，大大影响了混凝土结构的耐久性能.在寒冷地区，混凝土结构主要经受冻融循环和大气中二氧化碳的碳化作用.对于冻融循环、碳化等单一因素作用下的混凝土耐久性问题，国内外已经开展了大量的研究工作，其中的许多结论和经验公式已经在学术界达成共识，并且在工程实际中得到了广泛应用和验证［1－5］.然而，有关冻融和碳化共同作用下混凝土耐久性问题的研究只是初步和零星的［6－8］.因此，本文开展了混凝土的耐久性试验，研究了混凝土遭受冻融循环和碳化共同作用时的内部损伤演化过程，并建立了损伤模型.

1 试验

1.1 原材料及配合比

水泥选用陕西秦岭水泥总厂的P·O 42.5R 普通硅酸盐水泥，细度为3.4%（80μm 方孔筛筛余）；粉煤灰为渭河电厂Ⅱ级粉煤灰，细度为18%（45μm方孔筛筛余）；细骨料为西安灞河中砂；粗骨料为陕西泾阳口镇石灰岩质锤破碎石（粒径5～20mm）；引气剂采用同济大学以天然野生植物皂类为主要原料研制的SJ－3型高效引气剂；水为自来水.混凝土的配合比见表1.

表1 混凝土的配合比Table 1 Mix proportion of concrete kg／m3

1.2 试验方法

混凝土试件冻融循环和碳化试验根据GB／T 50082—2009《普通混凝土长期性能和耐久性能试验方法标准》进行，试件尺寸为100 mm×100 mm×400mm.试件成型后带模养护24h，拆模后移入标准养护室（温度20±1℃，相对湿度大于95%）养护30d，之后自然养护到预定龄期90d.

由于冻融和碳化作用机理不同，发生作用后混凝土结构的产物也不同，一般而言碳化使结构变致密，而冻融使结构变疏松.因此在试验中先进行冻融还是碳化，都会对2个因素的复合结果带来影响.为了避免这种影响，试验模式分3组：

（1）冻融－碳化（F50C）：先冻融50次，然后碳化7d，每个循环为15d，共进行4个大循环.

（2）碳化－冻融（CF50）：先碳化7d，然后冻融50次，每个循环为15d，共进行4个大循环.

（3）单一冻融（F）：每25次冻融循环为1个大循环，每个大循环约4d，共进行8个大循环.

表2给出了试件分组情况.

表2 试件分组Table 2 Specimen groups

2 结果与讨论

2.1 质量变化规律

混凝土在冻融－碳化试验模式下的质量变化规律如图1所示.由图1可以看出，水胶比越大，混凝土试件的质量下降速率越大，这与单一冻融试验模式下混凝土试件质量变化规律一致.

图2～4 分别给出了水胶比为0.35，0.45 和0.55的混凝土试件在单一冻融和冻融－碳化试验模式下的质量损失率.由图2～4可以看出，试件在冻融－碳化试验模式下的质量损失率明显大于在单一冻融试验模式下的质量损失率；同时随着冻融循环次数的增加，试件在冻融－碳化试验模式下的质量损失速率增大.

通过对试验结果的分析，得出冻融－碳化试验模式下混凝土质量与冻融循环次数的函数关系如下：

图1 混凝土在冻融－碳化试验模式下的质量变化规律Fig.1 Variation of concrete mass under the test mode of F50C

图2 水胶比0.35混凝土在不同试验模式下的质量损失率Fig.2 Mass loss rate under different test modes of concrete with water－binder ratio of 0.35

图3 水胶比0.45混凝土在不同试验模式下的质量损失率Fig.3 Mass loss rate under different test modes of concrete with water－binder ratio of 0.45

式中：Gn为混凝土质量；n为冻融循环次数；k为与混凝土水胶比mw／mb有关的系数，k＝－0.125mw／mb＋1.054（R2＝0.986）.

2.2 动弹性模量变化规律

GB／T 50082—2009中快冻法对冻融后混凝土的实际考察指标是动弹性模量.动弹性模量的测定是非破损的，能考察同一试件在冻融过程中内部结构逐渐破坏的过程.

图4 水胶比0.55混凝土在不同试验模式下的质量损失率Fig.4 Mass loss rate under different test modes of concrete with water－binder ratio of 0.55

图5分别描述了水胶比为0.35，0.45 及0.55的混凝土试件在冻融－碳化试验模式下的动弹性模量随冻融循环次数的变化规律.由图5可见，水胶比对混凝土动弹性模量的影响较大，水胶比小的混凝土在相同冻融循环次数下的动弹性模量明显高于水胶比大的混凝土.

图5 混凝土在冻融－碳化试验模式下的动弹性模量变化规律Fig.5 Variation of concrete dynamic modulus of elasticity under the test mode of F50C

图6～8分别为水胶比0.35，0.45和0.55的混凝土试件在单一冻融和冻融－碳化试验模式下相对动弹性模量Ed的变化规律.由图6～8可见，水胶比对混凝土相对动弹性模量的影响较大，水胶比小的混凝土在相同冻融循环次数下的相对动弹性模量明显高于水胶比大的混凝土.由图6～8还可以看出，混凝土在冻融－碳化试验模式下的相对动弹性模量小于其在单一冻融试验模式下的相对动弹性模量，即混凝土在冻融－碳化复合作用下的抗冻性劣于单一冻融作用下的抗冻性.

图6 水胶比0.35混凝土在不同试验模式下的相对动弹性模量Fig.6 Relative dynamic modulus of elasticity under different test modes of concrete with waterbinder ratio of 0.35

图7 水胶比0.45混凝土在不同试验模式下的相对动弹性模量Fig.7 Relative dynamic modulus of elasticity under different test modes of concrete with waterbinder ratio of 0.45

图8 水胶比0.55混凝土在不同试验模式下的相对动弹性模量Fig.8 Relative dynamic modulus of elasticity under different test modes of concrete with waterbinder ratio of 0.55

图7还描述了水胶比为0.45的混凝土试件在冻融－碳化和碳化－冻融试验模式下相对动弹性模量随冻融循环次数增加而变化的规律.试验表明，先碳化的混凝土由于内部结构变得密实因而要比先冻融的混凝土相对动弹性模量高，即抗冻性好.因此，建议寒冷地区尽量减少冬季施工.

3 冻融和碳化共同作用下混凝土的损伤模型

由图6～8可见，混凝土在冻融循环和碳化共同作用下，其相对动弹性模量Ed与冻融循环次数n的关系可以用函数表示，即Ed＝f（n），函数的一阶导数为

通过对微分方程求解并代入边界条件，得到冻融循环和碳化共同作用下混凝土相对动弹性模量演化方程如下：

式中：a1，a0分别为与混凝土材料相关的参数.

按式（2）对冻融循环和碳化共同作用下混凝土试件C3的相对动弹性模量进行拟合，结果见图9.

图9 冻融－碳化共同作用下混凝土相对动弹性模量演化方程拟合Fig.9 Evolution equation simulation of concrete relative dynamic modulus of elasticity under freeze－thaw cycles and carbonization

通过试验结果和拟合结果的对比分析可知，使用式（2）对混凝土相对动弹性模量与冻融循环次数的关系进行拟合，两者具有很好的相关性.

4 结论

（1）混凝土在冻融－碳化试验模式下的质量损失率大于单一冻融试验模式下的质量损失率；混凝土在冻融－碳化试验模式下的相对动弹性模量小于单一冻融试验模式下的相对动弹性模量，即混凝土在冻融－碳化复合作用下的抗冻性劣于单一冻融作用下的抗冻性.

（2）先碳化的混凝土由于内部结构变得密实而要比先冻融的混凝土在劣化过程中的相对动弹性模量高，即抗冻性好.因此，建议寒冷地区尽量减少冬季施工.

（3）通过对试验结果中混凝土质量的分析，建立了冻融和碳化共同作用下不同水胶比混凝土的质量与冻融循环次数的函数关系.

（4）建立了冻融和碳化共同作用下混凝土相对动弹性模量与冻融循环次数的函数关系，该函数拟合精度较高.

［1］HOBBS D W.Carbonation of concrete containing PFA［J］.Magazine of Concrete Research，1994，46（166）：35－38.

［2］PAPADAKIS V G，VAYENAS C G，FARDIS M N.Fundamental modeling and experimental investigation of concrete carbonation［J］.ACI Materials Journal，1991，88（4）：363－373.

［3］VESIKARI E.Service life design of concrete structure with regard to frost resistance of concrete，publication No.5［R］.Oslo：Nordic Concrete Research，1986：215－228.

［4］牛荻涛.混凝土结构耐久性与寿命预测［M］.北京：科学出版社，2003：55－79.NIU Ditao.Durability and life forecast of reinforced concrete structure［M］.Beijing：Science Press，2003：55－79.（in Chinese）

［5］张誉，蒋利学，张伟平，等.混凝土结构耐久性概论［M］.上海：上海科学技术出版社，2003：79－81，226－232.ZHANG Yu，JIANG Lixue，ZHANG Weiping，et al.Conspectus of concrete structure durability［M］.Shanghai：Shanghai Science and Technology Press，2003：79－81，226－232.（in Chinese）

［6］金祖权.西部地区严酷环境下混凝土的耐久性与寿命预测［D］.南京：东南大学，2006.JIN Zuquan.Durability and life forecast of concrete under astringent environment in western areas［D］.Nanjing：Southeast University，2006.（in Chinese）

［7］余红发，慕儒，孙伟，等.弯曲荷载、化学腐蚀和碳化作用及其复合对混凝土抗冻性的影响［J］.硅酸盐 学报，2005，33（4）：492－499.YU Hongfa，MU Ru，SUN Wei，et al.Effects of flexural loads，chemical attack，carbonation and their combination on freezing thawing durability of concretes［J］.Journal of the Chinese Ceramic Society，2005，33（4）：492－499.（in Chinese）

［8］燕坤.多重因素作用下碳化混凝土的抗冻性［D］.南京：南京航空航天大学，2007.YAN Kun.The capability of carbonated concrete in resisting to freeze－thaw cycles under the effect of multiple factors［D］.Nanjing：Nanjing University of Aeronautics and Astronautics，2007.（in Chinese）